高樓集體自主逃生裝置研究

劉自范，于永民

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

高樓集體自主逃生裝置研究

劉自范，于永民

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

介紹了高樓集體自主逃生裝置的市場(chǎng)需求背景，給出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，分析了主要材料的性能．該裝置能實(shí)現(xiàn)高層建筑物人群在火災(zāi)第一時(shí)間內(nèi)從建筑物中自主、安全、快速逃離．它彌補(bǔ)了市場(chǎng)上逃生裝置的不足之處，能使消防人員盡快接近火點(diǎn)，應(yīng)用前景可觀．

高樓；集體；自主逃生；轉(zhuǎn)速穩(wěn)定器

據(jù)消防部門(mén)統(tǒng)計(jì)，僅在鄭州市區(qū)，24 m以上的高層建筑就有3 000余幢，但是消防部門(mén)最先進(jìn)的登高車(chē)僅能達(dá)到54 m．因此，位于高層建筑物上層的居民在發(fā)生火災(zāi)、地震、恐怖行為、匪徒進(jìn)攻等緊急情況被困后就會(huì)束手無(wú)策［1］．這就使得人們非常關(guān)注個(gè)人和家人在事故發(fā)生時(shí)，是否能夠安全快速地逃離出去．而目前的逃生裝置大多都是單人使用的，這就影響了在火災(zāi)發(fā)生第一時(shí)間內(nèi)可逃生的人數(shù)．且這些逃生裝置通常安全系數(shù)不高，但操控要求卻很高，這就使得老人、孩子等無(wú)法使用，也無(wú)法避免人們?cè)谥剡^(guò)程中經(jīng)過(guò)下面著火層時(shí)可能受到二次傷害．因此，逃生裝置需要解決的問(wèn)題，一是保證在緊急狀態(tài)下處于高層建筑物上層的人群，特別是幼兒、孕婦、老人和能夠自主移動(dòng)的殘疾人等，盡可能多地在第一時(shí)間內(nèi)從建筑物中自主、安全、快速地逃離出去；二是能使前來(lái)滅火的消防人員盡快接近著火點(diǎn)而無(wú)建筑物高度的限制，從而不錯(cuò)過(guò)滅火的黃金時(shí)間［2］．

大量試驗(yàn)證明，建筑高度超過(guò)100 m的公共建筑，雖然已設(shè)有防煙樓梯間等安全疏散設(shè)施，但發(fā)生火災(zāi)時(shí)，樓內(nèi)人員卻很難迅速地疏散到地面［3］．從調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，盡管現(xiàn)在國(guó)內(nèi)存在幾種集體逃生設(shè)備，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、產(chǎn)品昂貴，且大多數(shù)針對(duì)人員密集型場(chǎng)合．針對(duì)以上問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種高樓集體自主逃生裝置．

1 逃生裝置總體設(shè)計(jì)

本逃生裝置采用純機(jī)械方法實(shí)現(xiàn)，而且占用空間小，所以選擇容易疊合的桿機(jī)構(gòu)．本裝置包括可容納多人的逃生艙、繩索、滑輪、可伸縮桿、轉(zhuǎn)動(dòng)速度穩(wěn)定器、光滑小鋼環(huán)、對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、四桿機(jī)構(gòu)等，如圖1所示．下面介紹該裝置的主要組成部分．

圖1 高樓集體自主逃生裝置總體結(jié)構(gòu)圖

（1）逃生艙：發(fā)生緊急狀況時(shí)用于房間（住宅、賓館房間、辦公室、醫(yī)院病房等）疏散人員乘坐的帶有防火材料（防火布）的設(shè)施．

（2）可伸縮桿：依靠?jī)A斜時(shí)的重力自動(dòng)展開(kāi)，借助它將逃生艙通過(guò)窗戶傳輸出去．

（3）初始鎖定器：在登艙結(jié)束前用于鎖定可伸縮桿，使其處于不可展開(kāi)狀態(tài)．

（4）啟動(dòng)套筒：釋放鎖死機(jī)構(gòu)，向上移動(dòng)后，由于左邊重量較大，系統(tǒng)自動(dòng)傾覆，轉(zhuǎn)到工作狀態(tài)．

（5）對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)［4］：存放于房間內(nèi)，該機(jī)構(gòu)的曲柄上端用錨拴固定在樓層的天花板上，而滑道則固定在地面的樓板上．

（6）轉(zhuǎn)動(dòng)速度穩(wěn)定器：通過(guò)滑輪上的繩索連接逃生艙，保證逃生艙以平穩(wěn)的速度下降，直至與地面接觸．

（7）光滑小鋼環(huán)：在逃生人員著地后，消防人員可利用其組成定滑輪，從而運(yùn)載消防人員靠近受災(zāi)地點(diǎn)．

（8）其他導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和承載桿．

本逃生裝置的上座和底座、轉(zhuǎn)動(dòng)速度恒定器分別固定于天花板和地面．由于現(xiàn)代建筑物可以不設(shè)外墻，而用密封的窗孔代替，甚至不設(shè)內(nèi)墻，以擴(kuò)大內(nèi)部使用空間，因此，逃生艙的支架只能固定在樓層之間的樓板上．本裝置約占1．4 m×1．2 m×3．0 m大的空間，可預(yù)先安裝和安放在衣柜、壁櫥或其他盒狀物內(nèi)，從而能充分利用空間，且不影響建筑物的美觀性和正常使用．

當(dāng)該裝置存放時(shí)，桿機(jī)構(gòu)折疊在一起，滑塊1與滑塊2皆位于下方．因逃生艙的內(nèi)部骨架結(jié)構(gòu)不影響伸縮桿擠壓其外部柔軟的防火布，所以逃生艙可位于如圖2所示位置．

圖2 自主逃生裝置存放時(shí)示意圖

啟動(dòng)逃生裝置的具體方法為：?jiǎn)?dòng)套筒上的手柄向上推，解開(kāi)存放狀態(tài)的鎖死機(jī)構(gòu)，因左邊重量相對(duì)較大，系統(tǒng)力偶矩矢量和為正值，整體以拉力桿1和可伸縮桿的鉸接處為牽連點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；與此同時(shí)，滑塊2上滑，直至與擋板接觸而停止相對(duì)運(yùn)動(dòng)，隨后與拉力桿2在滑塊1的約束下共同斜向上運(yùn)動(dòng)；當(dāng)滑塊1與限位銷(xiāo)接觸后，系統(tǒng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入工作狀態(tài)（即待登艙狀態(tài)）．當(dāng)逃生人員進(jìn)入逃生艙并關(guān)上艙門(mén)后，其中一人拉動(dòng)通過(guò)逃生艙上表面中心的小孔伸入其內(nèi)的啟鎖懸繩，初始鎖定器即打開(kāi)，可伸縮桿因受到逃生艙巨大重力在欲運(yùn)動(dòng)方向上的分力而牽引各段自行展開(kāi)，直到因相應(yīng)的位置限定卡的限位作用而逐段停止，此時(shí)逃生艙已伸出窗外到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)（距離），如圖3所示．與此同時(shí)，與掛鉤相連的繩索張緊，使得掛鉤以其上端鉸接處為旋轉(zhuǎn)中心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，到達(dá)極限點(diǎn)時(shí)逃生艙上端與掛鉤脫離，逃生艙進(jìn)入近似勻速下降狀態(tài)，逃生人員順利逃生．

圖3 自主逃生裝置工作后示意圖

當(dāng)逃生艙著地后，消防人員可以把儲(chǔ)繩盒里的繩子的末端由上而下從逃生艙上、下面的近似中心孔中穿過(guò)，此時(shí)，與逃生艙相連的繩索、可伸縮桿末端固定的滑輪2、光滑小鋼環(huán)和已伸開(kāi)的儲(chǔ)繩盒里的繩子共同組成一個(gè)定滑輪系統(tǒng)，攜帶隨身器械的消防人員可在逃生艙里面拉動(dòng)繩子隨逃生艙向上運(yùn)動(dòng)，直到接近著火點(diǎn)并實(shí)施救援．

其中速度恒定器采用的是摩擦式和流體阻尼式結(jié)合的方式．摩擦式速度恒定器通過(guò)齒輪加速，進(jìn)而使得摩擦體因離心力作用于摩擦槽而降低轉(zhuǎn)速，但因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的磨合，摩擦系數(shù)會(huì)有所改變，性能不太穩(wěn)定．而流體阻尼式速度恒定器是利用液體流動(dòng)阻尼把人體勢(shì)能轉(zhuǎn)化成液體熱能，以達(dá)到降低速度的目的；其主要特點(diǎn)是由于液體阻尼的大小取決于外負(fù)載，所以不論人體質(zhì)量大小，逃生艙均能以比較恒定的速度（本設(shè)計(jì)下降速度為4 m／s）下降．2種方式相結(jié)合，不但能承受高負(fù)載，而且提高了逃生裝置的穩(wěn)定性，如圖4所示．

圖4 速度恒定器部分機(jī)構(gòu)圖

其中流體阻尼系統(tǒng)如圖5所示．

圖5 流體阻尼系統(tǒng)圖

在流體阻尼系統(tǒng)中，曲柄的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成活塞的直線運(yùn)動(dòng)，能量借助流體轉(zhuǎn)化為熱能和流體的動(dòng)能．該系統(tǒng)有2個(gè)液缸，其位置呈90°角，如圖6所示．這樣的設(shè)計(jì)，既能減小單個(gè)液缸承受的負(fù)載，也可使液缸做得很小，同時(shí)也解決了曲柄在旋轉(zhuǎn)到極限位置時(shí)的速度波動(dòng)．而加速部分的多級(jí)傳遞使輕微的速度波動(dòng)大大化解，勻速效果更加明顯．

2 設(shè)計(jì)分析

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB5824－86，逃生艙按常用窗戶尺寸設(shè)計(jì)，如圖7所示．

一個(gè)逃生艙能夠容下4名成年人，每名成年人按75 kg計(jì)算，4人共300 kg．桿的材料選用45＃鋼，彎曲許用應(yīng)力［σ］＝100 MPa．伸縮桿的受力分析如圖8所示．

F2＝3000 N，由靜力平衡方程［5］求出F3、F4：

式中：F2—2點(diǎn)處的支反力，N；F3—3點(diǎn)處的支反力，N；F4—4點(diǎn)處的支反力，N．

3個(gè)支反力作用到截面上的彎矩分別是M2、M3、M4：

在3個(gè)支反力作用下伸縮桿上各點(diǎn)的彎矩分布如圖9所示．從圖9可知，3點(diǎn)處的彎矩最大．

圖9 伸縮桿彎矩圖

即M3點(diǎn)處為危險(xiǎn)截面．對(duì)該點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核：式中：σ表示應(yīng)力；σ3表示3點(diǎn)處的實(shí)際應(yīng)力．

顯然，伸縮桿滿足強(qiáng)度要求，且有較大的安全儲(chǔ)備．

拉力桿1的受力分析如圖10所示．

圖10 拉力桿1受力分析

式中：F3x為F3沿拉力桿軸線的分力，N．

由以上分析可知，拉力桿1滿足強(qiáng)度要求．

用同樣方法對(duì)拉力桿2以及壓力桿進(jìn)行受力計(jì)算：

式中：F4y為F4垂直于拉力桿2軸線的分力，N．

由以上分析可知，拉桿2滿足強(qiáng)度要求．

式中：F1為1點(diǎn)處所受的力，N；F1x為F1沿x方向所受的分力，N．

由以上分析可知，壓力桿滿足強(qiáng)度要求．

故得主要桿材料及尺寸如表1所示．

表1 主要桿材料及尺寸

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的自主逃生裝置操控難度低，平穩(wěn)度高，具有一個(gè)容量很大的逃生艙，能較好地實(shí)現(xiàn)高樓層人群的集體自主逃生，解決了老人、孩子等的自主逃生問(wèn)題．其純機(jī)械桿機(jī)構(gòu)不受停電的干擾，容易疊合，基本不占用建筑物空間，平時(shí)可儲(chǔ)存貴重物品．在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，老人、孩子等可不依賴(lài)任何外界人員援助，第一時(shí)間內(nèi)自主安全逃生；逃生艙為防火材料，保障人們?cè)谑褂脮r(shí)免受下層著火層的火災(zāi)傷害；消防人員可借助已經(jīng)著地的此裝置快速接近受災(zāi)點(diǎn)，無(wú)高度限制．它填補(bǔ)了市場(chǎng)的空白，成本較低，具有較高的應(yīng)用價(jià)值．

［1］盧兆明，陸君安，黃崇超，等．高層建筑火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)估［C］／／．CSIAM第五屆年會(huì)論文集．北京：北京大學(xué)出版社，2000．

［2］本書(shū)編委會(huì)．中華人民共和國(guó)消防法實(shí)施與消防安全檢查實(shí)務(wù)全書(shū)［M］．北京：北京中體音像出版中心，2009．

［3］清華大學(xué)美國(guó)應(yīng)急平臺(tái)考察團(tuán)．應(yīng)急救援特刊［EB／OL］．（2009－07－28）．http：／／wenku．baidu．com／view／e967f52ded630b1c 59eeb588．html．

［4］孫桓，陳作模，葛文杰．機(jī)械原理［M］．第7版．北京：高等教育出版社，2006．

［5］劉鴻文．材料力學(xué)［M］．第3版．北京：高等教育出版社，1992．

Research of the High－rise Collective Independent Escape Device

LIU Zi－fan，YU Yong－min
（Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007，China）

This paper introduces market demand background of this equipment．Overall project design of system is given，and performances of the primary materials are verified．When the fire occurs，the device guarantees crowd in upper high－rise buildings，particularly vulnerable groups，to enable the people as many as possible to independently，safely，quickly escape from building at the first time．It makes up the shortage of escape devices in the market，which allows firefighters to approach fire point as soon as possible，so the prospect of the application is very considerable．

tower；collective；independent escape；rotational speed stabilizer

TH122

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2011．02．020

1671－6906（2011）02－0074－05

2010－12－08

劉自范（1976－），男，河南寧陵人，工程師．